提高水泥性能 降低環(huán)境負(fù)荷
實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的耐久性，水泥基材料耐久性指標(biāo)提高一倍
實(shí)現(xiàn)低環(huán)境負(fù)荷，綜合能耗降低20%，環(huán)境負(fù)荷降低30%，大量消納工業(yè)廢棄物
“高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究，作為973計(jì)劃中惟一的建筑材料領(lǐng)域具有原創(chuàng)性創(chuàng)新的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，經(jīng)過建材行業(yè)科研人員歷時(shí)5年的潛心研究，目前已圓滿結(jié)題。項(xiàng)目研究取得驕人成果，贏得了科技部專家組的高度贊譽(yù)。他們一致認(rèn)為，高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究成果，對(duì)我國建材行業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生重要的導(dǎo)向作用?！眹?73計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家陳益民日前接受本報(bào)記者采訪時(shí)高興地說。
從具有百年歷史的水泥制備與應(yīng)用技術(shù)中開掘出來，并有幸跨入國家973計(jì)劃門檻，高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究從2001年國家批準(zhǔn)立項(xiàng)研究到結(jié)題，歷經(jīng)5年。來自中國建筑材料科學(xué)研究總院、南京工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、浙江大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)和東南大學(xué)的教授、高級(jí)工程師及博士后、博士和碩士等150余位科研人員，在首席科學(xué)家陳益民和許仲梓的帶領(lǐng)下，根據(jù)高性能水泥不同于傳統(tǒng)水泥的特征，深入研究高性能水泥的高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐久性和良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性。項(xiàng)目研究成果工業(yè)化應(yīng)用后，可使水泥生產(chǎn)熟料用量減少30%，在同等熟料用量條件下水泥強(qiáng)度提高一個(gè)等級(jí)，水泥基材料耐久性提高一倍，綜合能耗降低20%，環(huán)境負(fù)荷降低30%.這使我國水泥材料的科學(xué)研究達(dá)到國際先進(jìn)水平，在某些領(lǐng)域達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
多項(xiàng)研究成果居國際領(lǐng)先水平
陳益民介紹說，高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究共有6個(gè)課題，分別是高膠凝性水泥熟料礦物體系的研究、高膠凝性和特性熟料復(fù)合體系的研究、性能調(diào)節(jié)型輔助膠凝組分的研究、水泥水化機(jī)理及過程控制、高性能水泥漿體的結(jié)構(gòu)形成與優(yōu)化和高性能水泥與水泥基材料的環(huán)境行為及失效機(jī)理等研究。
5年來，科研人員對(duì)高阿利特（硅酸三鈣）含量的高膠凝性熟料體系研究方面取得重要進(jìn)展。他們獲得阿利特含量達(dá)到70%左右的相體系配料和燒成方法，包括高阿利特含量的高膠凝性硅酸鹽系熟料礦相匹配和優(yōu)化，研究了摻雜對(duì)高阿利特熟料燒成的促進(jìn)作用，在高阿利特高膠凝性水泥熟料及其制備方法方面取得突破。在高阿利特熟料中阿利特組成、晶體結(jié)構(gòu)和性能的研究取得進(jìn)展，他們發(fā)現(xiàn)，阿利特中的雜質(zhì)可以明顯影響其結(jié)構(gòu)，適宜的摻雜使阿利特的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成較高介穩(wěn)態(tài)；發(fā)現(xiàn)阿利特的結(jié)構(gòu)變化可能是影響水泥熟料膠凝性的重要原因之一，在阿利特組成、燒成條件、結(jié)構(gòu)與性能研究方面取得了創(chuàng)新性成果，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。在含硫鋁酸鹽礦物的硅酸鹽熟料體系相匹配關(guān)系、燒成控制方法、性能特點(diǎn)研究，以及含硫鋁酸鹽礦物的熟料對(duì)粉煤灰有強(qiáng)激發(fā)作用方面，科研人員也有新發(fā)現(xiàn)；通過研究礦物形成動(dòng)力學(xué)和雜質(zhì)影響，在熟料組成設(shè)計(jì)、有利于擴(kuò)大阿利特和硫鋁酸鹽共存溫度范圍方面有新進(jìn)展；建立了熟料中硫鋁酸鈣測(cè)定方法——化學(xué)法，為含硫鋁酸鹽的水泥熟料生產(chǎn)提供有效控制方法。他們提出了制備活性輔助膠凝組分的方法和活化機(jī)理，取得創(chuàng)新性成果。在國內(nèi)外缺乏的對(duì)煤矸石活化途徑和機(jī)理的研究方面，陳益民等科研人員對(duì)煤矸石中的黏土礦物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成無定形結(jié)構(gòu)，外來離子（如鈣）改變了無定形化結(jié)構(gòu)狀態(tài)性質(zhì)，使其結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)一步失穩(wěn)的研究發(fā)現(xiàn)，已居國際先進(jìn)水平。特別是在高性能水泥基材料的環(huán)境行為和破壞機(jī)理研究中，科研人員將國內(nèi)外的研究單因素破壞作用，改為多因素協(xié)同作用的環(huán)境行為研究，居世界前沿，意義重大。
成功開展高性能水泥制備和工業(yè)廢棄物活化的工業(yè)性試驗(yàn)
科研人員在高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究中，還成功地開展了高膠凝性水泥熟料工業(yè)性試生產(chǎn)。他們?cè)?家水泥生產(chǎn)企業(yè)的新型干法窯和濕法回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行了高阿利特水泥熟料的燒成工業(yè)化試驗(yàn)；在17家水泥生產(chǎn)企業(yè)中開展了含硫鋁酸鹽礦物的硅酸鹽水泥熟料的燒成中試，均取得了很好的效果，水泥熟料強(qiáng)度均顯著提高。他們?cè)谏a(chǎn)中，初步證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室取得理論成果的正確和可靠，并取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。如在新型干法窯燒制成功了阿利特含量達(dá)到70%左右的高膠凝性水泥熟料，其28天抗壓強(qiáng)度高達(dá)70MPa.這對(duì)于提高水泥中工業(yè)廢棄物的摻和量十分有效。在帶五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器干法水泥窯上進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，試生產(chǎn)的阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥，早期強(qiáng)度提高30%以上。
科研人員在對(duì)主要產(chǎn)地的煤矸石進(jìn)行成分分析和相分析的基礎(chǔ)上，提出了煤矸石從工業(yè)廢渣轉(zhuǎn)化為高性能水泥用性能調(diào)節(jié)型輔助膠凝組分的方法和活化的機(jī)理，并開展了半工業(yè)性試驗(yàn)。他們分析了全國10多個(gè)主要產(chǎn)煤區(qū)排出煤矸石的組成結(jié)構(gòu)特性（化學(xué)組成、相組成、相結(jié)構(gòu)等），研究熱歷史等因素與其膠凝活性的相關(guān)性；綜合運(yùn)用熱活化、化學(xué)活化、機(jī)械活化與復(fù)合活化的方式，研究在激發(fā)組分、溫度、微細(xì)化等因素作用下，煤矸石的顆粒表面結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)變化特征與活化效果，等等，都達(dá)到了預(yù)期效果。
研發(fā)水泥化學(xué)研究、混凝土環(huán)境行為試驗(yàn)的新方法、新裝置
科研人員研究發(fā)明了多種工業(yè)廢渣轉(zhuǎn)化成輔助膠凝組分的方法和機(jī)理，特別是復(fù)合型輔助膠凝組分性能優(yōu)化的方法和作用，提出高性能水泥體系復(fù)合膠凝效應(yīng)與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。他們提出鋼渣、磷渣、赤泥作為輔助膠凝組分的方法。其中，微細(xì)鋼渣作為水泥活性混合材的研究成果，已經(jīng)在多家企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化；建立了一系列水泥水化過程表征的先進(jìn)研究方法，研究和提出了高性能水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物形成及演變過程；研究高性能水泥漿體的結(jié)構(gòu)形成與演變規(guī)律，提出高性能水泥漿體結(jié)構(gòu)模型和強(qiáng)度模型；開發(fā)出多種混凝土環(huán)境行為試驗(yàn)研究新方法，研究了水泥基材料的兩種和多種因素共同作用下的損傷機(jī)制；針對(duì)低鈣復(fù)合體系高性能混凝土的組成和特點(diǎn)，提出了高性能水泥基材料的失效機(jī)理和高耐久性水泥基材料的設(shè)計(jì)方法與途徑等。
回顧5年來的研究與實(shí)踐，陳益民表示，973計(jì)劃項(xiàng)目高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究成果意義重大。他說，他們的研究首先是解決了高性能水泥基材料特有組成和結(jié)構(gòu)的耐久性科學(xué)問題，特別是在水泥基材料低堿度高耐久問題上，提高了高性能水泥基材料水化相的結(jié)構(gòu)密實(shí)度，抑制有害離子在水泥漿體中的擴(kuò)散，從而降低或延緩了混凝土遭受有害離子腐蝕的程度。二是提出了環(huán)境行為各因素及其協(xié)同作用下評(píng)價(jià)混凝土損傷失效的多種研究新方法，從宏觀、微觀和細(xì)觀層次對(duì)混凝土的損傷失效開展研究，開發(fā)了多種混凝土環(huán)境行為試驗(yàn)研究新方法。三是提出了材料環(huán)境行為的系列協(xié)同效應(yīng)理論，對(duì)腐蝕介質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透、擴(kuò)散，與混凝土水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)，以及腐蝕介質(zhì)與荷載作用下的高性能混凝土所承受的拉應(yīng)力等進(jìn)行了深入研究。四是研究了高耐久性水泥基材料的理論與設(shè)計(jì)方法。這些是對(duì)高性能水泥基材料的研究思想、試驗(yàn)方法和環(huán)境行為分析理論的創(chuàng)新，為建設(shè)環(huán)境友好、節(jié)約資源和能?